劉超英，高 康，李俊峰，王軍華

（1.廣州工商學(xué)院工學(xué)院，廣東 佛山 528100；2.國家建筑五金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測中心（廣東），廣東 肇慶 526000）

0 引言

配料是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的一道重要生產(chǎn)工序，不同比例的原材料配方對于后期最終產(chǎn)品的性能起著決定性的作用。玻璃（主要原料是石英砂、石灰石、長石等）、水泥等基礎(chǔ)建筑材料都是由幾種天然砂石原料經(jīng)過一定比例的配料，再經(jīng)過后續(xù)的攪拌、燒結(jié)或熔煉等加工工序，形成最終產(chǎn)品[1-2]。通過改變砂石比例，或者添加其他微量元素，可以改變產(chǎn)品的性能參數(shù)，以適應(yīng)不同場合的需要。一般來說，材料的配方是一種產(chǎn)品的核心技術(shù)之一。

數(shù)字化是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展、特別制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然趨勢。配料機(jī)的數(shù)字化改造是整個生產(chǎn)線數(shù)字化改造的基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)線柔性化、智能化以及生產(chǎn)品種多樣化的基礎(chǔ)[3-5]。傳統(tǒng)砂石配料設(shè)備一般工作低頻狀態(tài)，驅(qū)動信號的產(chǎn)生、處理、運算大都由模擬電路配合外圍的電位器、切換開關(guān)等完成，除了體積龐大外，驅(qū)動信號的穩(wěn)定性、抗干擾能力、波形種類等都難以同數(shù)字電路相比擬，當(dāng)生產(chǎn)工藝需要升級改造時，模擬電路往往需要升級或更換原有硬件，而數(shù)字化系統(tǒng)的一般只需升級其軟件或程序即可[6-8]。另外，現(xiàn)有砂石料配料機(jī)一旦配比參數(shù)設(shè)定，生產(chǎn)過程中不再容易變化，稱之為靜態(tài)配料。報告一種利用嵌入式微處理器和變頻調(diào)速器組成的數(shù)字化砂石動態(tài)配料裝置，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中配料參數(shù)的動態(tài)修改和調(diào)節(jié)[5-9]。本配料裝置已經(jīng)在彩石金屬瓦生產(chǎn)線上的使用，可實現(xiàn)彩石原料配比的動態(tài)調(diào)整，生產(chǎn)出不同花型花色的迷彩型彩石金屬瓦。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制部分的升級與改造

1.1 配料機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的升級與改造

目前，單一的砂石輸送基本都實現(xiàn)了機(jī)械化，通過漏斗、電機(jī)、減速器以及對應(yīng)的電氣控制等設(shè)備實現(xiàn)砂石料的落料控制[10-12]，本配料機(jī)是在原有落料機(jī)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過雙層漏斗結(jié)構(gòu)的技術(shù)升級和改造而構(gòu)成。用多個（圖1中為2個）單一砂石料落料機(jī)作為內(nèi)核，在內(nèi)核下方再配裝一個混料漏斗組成雙層漏斗的配料機(jī)，如圖1所示。每個單一砂石料落料機(jī)標(biāo)記為S1、S2，外層混料漏斗下方設(shè)置一定數(shù)量的三角形混料導(dǎo)柱，從S1、S2落下來的幾種砂石料經(jīng)過混料導(dǎo)柱的多次彈射均勻混合在一起。

圖1 砂石配料機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

在S1小型漏斗的出口加裝一個落料輥以調(diào)節(jié)砂石料的落料速度：當(dāng)落料輥處于靜止的狀態(tài)時，盡管落料輥兩則留有較大的縫隙，由于自身重量砂石料之間的摩擦力足以阻止砂石料自由落下。只有當(dāng)落料輥按一定速度旋轉(zhuǎn)時，砂石料才能以與落料輥旋轉(zhuǎn)速度成比例的速度落下。S2的結(jié)構(gòu)與S1完全相同。

總落料量等于單個落料機(jī)的落料量之和，即：

1.2 電氣控制部分的技術(shù)升級與改造

如圖1 中，每種砂石料的落料速度和落料量都可以通過電氣系統(tǒng)控制，每個砂石料落料通道的電氣控制系統(tǒng)是相同的，在原有電動機(jī)、減速器等設(shè)備的基礎(chǔ)上，加裝變頻調(diào)速器和數(shù)字控制系統(tǒng)組成，如圖2 所示。電機(jī)（M1和M2）、減速器是原有落料機(jī)配套設(shè)備，作用是驅(qū)動落料輥按一定速度轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)數(shù)字化配料的核心是前級的變頻調(diào)速器和數(shù)字控制系統(tǒng)兩個模塊，其中數(shù)字控制模塊是整個生產(chǎn)線數(shù)字改造的核心。

圖2 砂石配料機(jī)電氣控制框

1.3 變頻調(diào)速器工作狀態(tài)設(shè)置

為實現(xiàn)配料機(jī)整機(jī)的數(shù)字化控制，需要對變頻調(diào)速器的工作模式進(jìn)行預(yù)設(shè)置。變頻調(diào)速器有面板調(diào)速、外部電流環(huán)調(diào)速、外部電壓調(diào)速等多種工作模式，在本案例中，變頻調(diào)速器的主要參數(shù)設(shè)置是：外部電壓控制頻率工作模式（VCF/Voltage Controlled Frequency），變頻范圍0～60 Hz，自由停機(jī)，線性加減速，單向運轉(zhuǎn)（禁止反轉(zhuǎn)）[1,3]。其他非主要參數(shù)保持出廠狀態(tài)即可。

2 數(shù)字化方案

2.1 總體框圖

數(shù)字控制系統(tǒng)的核心是一個嵌入式微處理器（Micro Controller Unit，MCU）及其外圍的DAC 電路，從圖3 可以看出，數(shù)字控制系統(tǒng)將幾個原來獨立的落料通道有機(jī)的關(guān)聯(lián)在一起，從而實現(xiàn)幾個落料通道的協(xié)同控制。由于變頻調(diào)速器設(shè)置為外部電壓控制方式，也就是說通過改變電壓Vout1和Vout2就可以實現(xiàn)對砂石料S1和S2落料量的調(diào)節(jié)。

圖3 數(shù)字控制系統(tǒng)原理

數(shù)字化配料機(jī)的主要優(yōu)點是配料方案修改靈活，每種砂石料的落料量在無需改動硬件情況下均可以ISP（In-system Programming） 方 法 或IAP （In-Application programming）方法編程控制，通過編程或應(yīng)用預(yù)先編制好程序?qū)崿F(xiàn)各種不同方案的配料方法。經(jīng)過加裝通信和接口線路，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢[6-8]。

2.2 核心微處理器（MCU）選擇

目前MCU 可供選擇的品種很多，本項目對MCU 的運行速度要求并不高，主要要求工作穩(wěn)定、性能可靠。國產(chǎn)STC 系列（宏晶科技出品）微處理器內(nèi)置時鐘，精度可到0.1%，內(nèi)置8 路ADC 通道，內(nèi)部Flash 最大可達(dá)16 kB，加密性好，抗干擾性強(qiáng)，完全可以滿足項目的要求。最主要的是開發(fā)環(huán)境優(yōu)良，很多開源的例程、應(yīng)用程序都可以在網(wǎng)上查找。

盡管宏晶的MCU 提供了ISP（在系統(tǒng)編程）和IAP（在應(yīng)用編程）兩種升級方案，但是在生產(chǎn)線上并不建議采用IAP 方案，主要原因是一條生產(chǎn)線涉及的子裝備很多，除了配料機(jī)，還有上游的傳送裝備以及下游的燒結(jié)、烘干等裝備，一旦它們之間出現(xiàn)協(xié)同方面的問題，反而容易造成更大的誤工。因此本項目選擇ISP方案。

為便于數(shù)字控制系統(tǒng)與上位PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，ISP 硬件方面采用標(biāo)準(zhǔn)USB 接口進(jìn)行聯(lián)接，通信協(xié)議為STC-ISP-V8xx(版本號)。驅(qū)動方式簡單，只需在上位機(jī)（PC機(jī)）下載并安裝STC-USB Driver驅(qū)動程序即可。

2.3 數(shù)字化升級的優(yōu)點

與改造前的模擬控制配料機(jī)相比，數(shù)字控制的配料機(jī)主要具有以下優(yōu)點。

（1） 靈活性強(qiáng)，適合與柔性生產(chǎn)線配套。工業(yè)生產(chǎn)線的發(fā)明極大的提高了工業(yè)生產(chǎn)效率。但是傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)線的缺點是設(shè)備專用、生產(chǎn)品種單一。近些年同時兼顧工業(yè)生產(chǎn)多樣性和高效率的柔性生產(chǎn)線（Flexible Production Line）的概念提出并開始走向應(yīng)用。數(shù)字化砂石料配料機(jī)就是一種非常適合柔性生產(chǎn)線的設(shè)備，在硬件不改變的情況下即可實現(xiàn)配料方式的調(diào)整。

（2）可靠性和穩(wěn)定性高。傳統(tǒng)的配料機(jī)模擬控制器往往需要大量三極管、運算放大器等電子電路完成一個特定的控制過程，而數(shù)字化的配料機(jī)控制器以微處理器為核心，僅使用很少的外圍器件。由于一個系統(tǒng)使用的元件越多其可靠性越低，因此數(shù)字化配料機(jī)控制器的可靠性要比模擬控制器高。

另外，模擬控制器的控制信號周期、濾波器截止頻率等主要參數(shù)的穩(wěn)定性受外部物理條件（如溫度、濕度）影響較大。而數(shù)字化控制器的核心器件是微處理器，它的主頻一般都是由穩(wěn)定度極高的石英晶體產(chǎn)生，一旦主頻穩(wěn)定，其指令周期也就穩(wěn)定，通過一定算法實現(xiàn)的控制器穩(wěn)定性必然高。

（3）系統(tǒng)性能提高。數(shù)字系統(tǒng)取代模擬系統(tǒng)已經(jīng)成為必然，凡模擬系統(tǒng)能實現(xiàn)的，數(shù)字系統(tǒng)也完全能實現(xiàn)。砂石料配料機(jī)的動態(tài)配料主要通過改變控制波形來實現(xiàn)，模擬控制器只有方波、三角波、正弦波幾種基本波形，改變波形形狀只能通過微分、積分等方法整形而來，不僅電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且靈活性不強(qiáng)。而數(shù)字化的控制器通過算法即可實現(xiàn)任意波形，因此數(shù)字化控制的砂石料配料機(jī)不僅可以實現(xiàn)原有模擬配料機(jī)的全部功能，而且在性能方面得到提高。

（4）系統(tǒng)成本降低。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，微處理器（芯片）的性能不斷提高，而價格不斷降低，使得數(shù)字化配料機(jī)，特別是控制器的成本越來越低。

3 應(yīng)用實例

彩石金屬瓦（Stone-chip Coated Metal Roof Tile）是在彩鋼瓦基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種新型屋頂建筑裝飾材料，彩石金屬瓦與彩鋼瓦的主要區(qū)別是：用一層小顆?；◢弾r砂石替代原來的涂料涂層，由于花崗巖的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)低于金屬的導(dǎo)熱性，使得彩石金屬瓦的隔熱性能大大提高。另外彩鋼瓦在下雨天的噪聲也是其飽受詬病的缺陷之一，彩石金屬瓦的砂石涂層也可以有效改善雨天的噪聲特性。在安裝和施工方面，兩者幾乎沒有太大的區(qū)別[10-13]。

下面以彩石金屬瓦生產(chǎn)線的配料為例，介紹這種數(shù)字化砂石配料機(jī)的典型應(yīng)用。

3.1 等比例配料

第一種配料方法是等比例靜態(tài)配料，這是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的配料方法。

在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)工序分工越來越細(xì)，彩石金屬瓦的上游主要材料包括鍍鋅薄鋼板、彩色砂石料、粘合劑等。上游供應(yīng)商提供彩石砂石料的彩石種類僅有幾種，通過不同的比例配料可以獲得更多的色彩涂層，以滿足下游客戶的需求。例如：利用紅色和白色兩種原始砂石料的配料，得到粉色的涂層。調(diào)節(jié)紅色砂石料和白色砂石料的比例，得到不同灰度的粉色涂層。

調(diào)配顏色是彩石金屬瓦生產(chǎn)過程的一項重要工藝，本數(shù)字化配料機(jī)為砂石色彩調(diào)配提供了一種方便的手段。根據(jù)式（1），涂層總的厚度由Rstatol決定，而Rstatol又是由Rs1和Rs2混合組成的，所以只需按固定比例把兩種彩石原料混料即可。由于S1和S2的落料多少是由兩個落料輥的轉(zhuǎn)速決定，經(jīng)過圖2 所示的電氣控制，把混料的問題轉(zhuǎn)化成電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的問題，最后轉(zhuǎn)化成設(shè)置兩個電壓（V1、V2）比例的問題。這種配料方法也適用于水泥、砂子按給定比例的混凝土（砼）配料。

3.2 動態(tài)配料

在原彩石金屬瓦生產(chǎn)線上，采用動態(tài)配料方法，即可實現(xiàn)迷彩型彩石金屬瓦的生產(chǎn)，后續(xù)工序基本不變。在動態(tài)配料過程中，兩個控制電壓V1和V2按照一定的關(guān)系隨時間變化，即兩個電壓是時間的函數(shù)，表達(dá)為V1(t)和V2(t) 。

（1）條紋疏密度控制

由于兩種顏色的砂石料S1和S2的落料多少完全由控制電壓V1(t) 和V2(t) 決定，在傳送帶速度固定的條件下，改變控制電壓V1(t)和V2(t)的周期就可以調(diào)節(jié)砂石涂層色彩條紋的疏密度，如圖4所示。

圖4 控制電壓V1(t)和V2(t)的周期決定彩色條紋的疏密度

（2）色彩過渡過程控制

改變控制電壓V1(t)和V2(t)的波形形狀，可以調(diào)節(jié)色彩過渡過程。當(dāng)V1(t)和V2(t)按方波規(guī)律變化，得到的迷彩條紋的邊界過渡過程迅速；當(dāng)V1(t)和V2(t)按正弦波規(guī)律變化，兩種色彩的邊界過渡則緩慢，如圖5所示。

（3）機(jī)械與電氣系統(tǒng)的適配

動態(tài)配料是數(shù)字化配料機(jī)的顯著優(yōu)勢之一。由于機(jī)械系統(tǒng)、電子系統(tǒng)對時間的響應(yīng)速度完全不在一個數(shù)量級上，而且電機(jī)、減速器等機(jī)電設(shè)備在啟動與減速過程存在較大的慣性，如果兩者不能適配，動態(tài)配料過程中配料電機(jī)會出現(xiàn)頻繁急速啟動、急速停機(jī)的現(xiàn)象。為消除這一現(xiàn)象，通過程序在驅(qū)動方波的前沿和后沿增加一段0.1 s 的過渡時間。圖5（a）所示的方波信號V1(t) 和V2(t)中，設(shè)置了一段上升沿和下降沿過渡時間，目的是消除生產(chǎn)過程中電機(jī)頻繁的急速啟動和急速停止現(xiàn)象。

圖5 控制電壓波形以及對應(yīng)的迷彩條紋彩石金屬瓦

（4）砂石涂層厚度的控制

由式（1）得，砂石料總量是幾種砂石料的疊加，彩石金屬瓦砂石涂層的厚度與砂石總量有關(guān)。在動態(tài)配料過程中，每種砂石料都是實時變化的，為保持彩石金屬瓦的砂石涂層厚度不變，不出現(xiàn)時厚、時薄現(xiàn)象，控制電壓V1(t) 和V2(t) 應(yīng)滿足此消彼長但兩者的代數(shù)和恒定這一條件，當(dāng)一個電壓增加時，另一個電壓應(yīng)該減少；一個為最大值時，一個為最小值，如圖5（a）所示的波形。

4 結(jié)束語

本文介紹的數(shù)字化砂石料配料機(jī)主要用于彩石金屬瓦、混凝土等各類生產(chǎn)線的前端配料。配料機(jī)的數(shù)字化升級改造硬件方面主要由變頻調(diào)速器、嵌入式微處理器及外圍電路完成，在現(xiàn)有等比例配料的基礎(chǔ)上，通過在系統(tǒng)編程技術(shù)ISP 升級應(yīng)用程序即可實現(xiàn)砂石配料方案的修改與升級，實現(xiàn)實時動態(tài)比例砂石配料。作為應(yīng)用，本配料機(jī)對原單色彩石金屬瓦生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，成功實現(xiàn)迷彩型彩石金屬瓦生產(chǎn)的技術(shù)改造，表面砂石套色層的彩條疏密度、厚度等主要參數(shù)等均可通過程序調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)上由模擬電路控制的砂石料配料機(jī)相比，數(shù)字化控制的砂石料配料機(jī)優(yōu)勢明顯。